VR/AR/MR技術(shù)助力課堂教學新變革*

劉勝峰

（廈門實驗小學，福建 廈門 361001）

引言

傳統(tǒng)的學習都是基礎知識的習得和基本技能的培養(yǎng)，而能力的發(fā)展基本上等同于解題能力的訓練。面對勢不可擋的科技創(chuàng)新浪潮，面對世界的急劇變化和充滿各種可能與未知的未來，傳統(tǒng)的學校教學模式已經(jīng)很難適應時代的變化。VR/AR/MR 技術(shù)創(chuàng)建起事物發(fā)展變化的虛擬環(huán)境，生成具有沉浸感、臨場感和多維感的高級人機界面，能讓學習者在計算機仿真系統(tǒng)里與虛擬的人、物或景進行互動。VR/AR/MR 已經(jīng)不再是一種單純的技術(shù)手段，而是一種全新的思維方式。借助VR/AR/MR 技術(shù)實施的教學具有多感官參與、突破時空限制、完全沉浸感、真實學習情境等特點，該技術(shù)與教育結(jié)合正在顛覆和創(chuàng)造出一些新的教學方式。

一、模擬情境，創(chuàng)生實景教學

多數(shù)學科的教材往往比較抽象、微觀，或是因為知識情境的轉(zhuǎn)換空間跨度很大，有些知識離學生的真實世界較遠，不是學生所熟悉的現(xiàn)實生活。如果教師僅僅借助圖片或者教具來口頭講解，由于講授者言語轉(zhuǎn)換的局限、學習者視聽角度的不同，很可能會出現(xiàn)學生難以理解或者難以體會等問題，致使學生對知識的理解出現(xiàn)偏差。VR（虛擬現(xiàn)實）是利用多源信息融合交互實現(xiàn)三維動態(tài)視景和實體行為系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸在模擬環(huán)境中，讓人和互聯(lián)網(wǎng)之間能夠進行深度的互動和溝通。AR(增強現(xiàn)實)是通過計算機圖形學和視覺技術(shù)，將虛擬的信息應用到真實世界，使得真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間。MR（混合現(xiàn)實）包括增強現(xiàn)實和增強虛擬，指的是合并現(xiàn)實和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境。它們都是創(chuàng)設真實情景的有效工具，虛擬的環(huán)境不僅對學生產(chǎn)生視覺、觸覺、嗅覺等各種感官刺激，也給學生一種超越現(xiàn)實、身臨其境的感覺，還能讓學生通過感官、語言、手勢甚至表情，以比較“自然”的方式與計算機進行實時交互，使學生置身于一種逼真效果的綜合學習環(huán)境中。讓學生在課堂里互動、沉浸體驗，不再是只有抽象而乏味的文字教學，原本抽象的知識變得立體可見，學生可以在富于感性和趣味性的三維虛擬世界里，啟發(fā)構(gòu)思，引發(fā)出更多的靈感，讓自己的學習表現(xiàn)更加優(yōu)異。

教師可以用VR/AR/MR 開展實景教學。讓學生戴上“VR”眼鏡，形形色色的海底世界立刻展現(xiàn)在眼前，學生可以360 度全景式“游覽”海底的珊瑚以及千奇百怪的魚兒，仿佛一切都是觸手可及。有時可以讓學生看到土壤里植物種子發(fā)芽變化的全過程，沉浸在種子發(fā)芽需要的各種環(huán)境之中，還可以讓學生仿佛置身于大自然中，飛禽猛獸在自己身邊擦肩而過等等。學生在智能模擬的實景學習環(huán)境里，總是不斷地摘下眼鏡又戴上眼鏡，反復對比“VR”場景與現(xiàn)實場景，確認自己確確實實“穿越了”不同的時空，然后“啊、呀、哇”地感嘆。如此的沉浸體驗，給學生帶來了前所未有的感觀刺激，增強了學生的學習體驗，深受學生的喜歡。

傳統(tǒng)的安全教育多為言傳身教，缺少學生可以親身觀察試驗的場景，難以讓學生深刻理解危險行為導致的嚴重后果?？梢越柚鶹R/AR/MR，模擬真實的高?；驑O端火災環(huán)境，學生戴上VR 眼鏡，置身于火災“現(xiàn)場”，學生尖叫、拍扯自己的衣服、驚恐、哭泣，情緒變化之大，體驗之深刻讓人難忘。在虛擬現(xiàn)實的實景里開展安全教育，學生這種實時的交互性體驗學習效果遠遠超過往常的傳統(tǒng)德育說教課堂效果。而且可以去到以前去不了的地方，讓學生體驗不易接觸或觀察的事物，沒有危險，不必繁瑣地組織安排活動，又非常的經(jīng)濟。

當今的學生被稱為“數(shù)字原住民”，他們喜歡好玩的、立體的、動態(tài)的東西，三維場景正好能夠滿足這一代學生的喜好。VR/AR/MR 技術(shù)支持下的實景教學，利用技術(shù)將虛擬場景融入真實世界，學生有機會觀察微觀世界，能夠在豐富的情景下感知抽象概念，學生的投入大幅提升，從情感、態(tài)度與價值觀方面去激發(fā)學生的學習熱情、探究興趣，并保持持續(xù)且高昂的學習欲望，學習就不再是一種負擔。當學生將知識融會貫通應用，所獲得的學習體驗將會轉(zhuǎn)化為內(nèi)在的學習能力，即會迸發(fā)出創(chuàng)新火花。

二、虛實融合，重組教學結(jié)構(gòu)

一線教師總是在思考如何把前沿的信息技術(shù)或概念用在實際課堂的哪個環(huán)節(jié)，許多信息技術(shù)融合的課堂教學也都只是停留在這樣的層面，缺少利用信息技術(shù)實現(xiàn)課堂結(jié)構(gòu)的真正變革。改變教學結(jié)構(gòu)是信息技術(shù)與教學融合的必經(jīng)之路，更是技術(shù)與教學深入融合的高價值成果。VR/AR/MR 打破了傳統(tǒng)的單向傳授知識的教學模式，讓教學內(nèi)容外在形式的生動性與內(nèi)在結(jié)構(gòu)的科學性更加緊密地結(jié)合起來，可以促進學生在虛實融合的環(huán)境中與學習內(nèi)容互動，最大限度地從傳統(tǒng)的“被動接受式”改變?yōu)椤白灾魈剿魇健?。教師引入該技術(shù)改變課堂學習結(jié)構(gòu)，首先要創(chuàng)設虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實的情境，接著組織學生體驗、實踐、討論、對比等來學習知識，最后通過表達、交流和反思等獲得成長。

以往，小學語文教師教授《望天門山》時，都是先利用生字學習軟件，幫助學生理解生字；再抓住“望天門山”四句詩中重點字詞，利用圖片和視頻資料理解各句詩詞的含義，進而發(fā)現(xiàn)詩句中語言的精妙；接著教師會組織學生朗讀交流古詩，感受詩中所表達的壯麗山河、詩人的樂觀豪邁等情感。教師把VR/AR/MR 技術(shù)引入課堂后，先組織學生觀看“李白游天門山”的視頻，通過三維場景，讓學生發(fā)表看到“天門山”各個景象之后的感想，然后引導學生用古詩詞的格式與語言呈現(xiàn)自己所要表達的含義；接著組織學生把自己所創(chuàng)作的“古詩”與李白的“望天門山”這首古詩進行逐句對比分析，找出差距，通過比較發(fā)現(xiàn)李白詩詞的主要特征。震撼的視覺效果，身臨其境的現(xiàn)場感，讓學生對古詩中的內(nèi)容有了更加深刻的感受，學生對文本的理解也更加直觀、具體。如此“化靜為動”，哲學式對比和感悟詩詞之美交融并發(fā)，學生敏銳而深刻的理性精神將會獲得更好的培育。

在實驗教學方面，借助VR/AR/MR 技術(shù)提供模擬客觀世界的微縮場景，能彌補科學課里由于實驗條件難以規(guī)范、實驗過程難以控制、實驗結(jié)果難以觀察等不足，使原本難以理解、不易觀察，只能通過想象、假設、推演的實驗活動，以直觀逼真的方式呈現(xiàn)。教授《簡單電路》一課時，教師通過VR 創(chuàng)設小明“新家裝修”的情境，以設計安裝電路為任務，引導學生一步步將紙質(zhì)的設計圖轉(zhuǎn)變?yōu)镵T 板上的“真實”電路。借助VR 技術(shù)360°模擬真實客廳環(huán)境，讓墻體透明化顯露出埋在里面的電路排布，學生沉浸在“真實房子的電路”里，能更加努力地探索和設計。利用高科技撬動課堂教學的結(jié)構(gòu)，學生好像擁有“瞬間移動”的超能力，從課堂環(huán)境瞬間來到“新家”，學習結(jié)構(gòu)也自然發(fā)生了重大的變化。

三、過程監(jiān)測，實現(xiàn)云技術(shù)評價

在生動、逼真、自然交互的VR/AR/MR 技術(shù)虛擬環(huán)境中，學生接觸的學習材料不再是抽象的知識符號，而是進行與學習本質(zhì)關聯(lián)的實踐活動，參與者與虛擬環(huán)境能夠融為一體。在VR/AR/MR 技術(shù)支持下的智慧平臺上開展評價活動，通過對學生的學習過程進行動態(tài)監(jiān)控和實時記錄，伴隨數(shù)據(jù)采集和大數(shù)據(jù)分析，深度挖掘?qū)W生學習過程的信息，精準獲得學生的學習結(jié)果，發(fā)現(xiàn)學生存在的問題，并對今后的學習進行預測、干預。這種全樣本的數(shù)據(jù)采集，為形成完整個人學習檔案和評價體系提供了現(xiàn)實依據(jù)。

小學數(shù)學教師在測評學生作圖能力水平時，可以讓學生在VR 空間環(huán)境中畫“長方體”，評價系統(tǒng)根據(jù)學生畫圖過程中使用的工具，“為什么兩條平行線畫不準確，四條高的長度長短不一”，對學生的操作能力和動作技能進行評價。這比以前讓學生先畫個長方體再進行作品評分更精準科學。

VR/AR/MR 技術(shù)可以安全和有效地幫助學生聚焦行為，認識自我。因此在心理健康教育方面使用VR 等技術(shù)能有效支持心理測評工作，增強學生在咨詢情境中的自我效能感。心理健康教育教師可以把學生帶到一個裝有虛擬現(xiàn)實設備的房間里，讓學生與虛擬人進行交流（包括吃飯、聊天、爭論等），或者讓學生坐在一個很舒服的椅子上，打開相關設備，讓學生感覺進入到一個嶄新的、安詳?shù)沫h(huán)境中，比如海邊、田野、星空，融入到場景當中后，教師再運用專業(yè)的知識，通過虛擬現(xiàn)實的設備傳導給學生語音信息，配合著身臨其景的環(huán)境，開展心理診斷活動。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入心理咨詢和普通心理咨詢技術(shù)相比，其能夠最大程度地還原現(xiàn)實場景，當事人不必陷入想象和回憶，咨詢輔導會更加的真實、立體。即使當事人遇到曾經(jīng)的創(chuàng)傷場景時，因為只身在VR 空間中，不需要顧及自己的形象，可以無負擔地去回憶，效果更具有可遷移性和時效性。

由于學生各自有不同文化背景、個性特征和知識結(jié)構(gòu)，因而每個人的學習基礎與思維方式也有較大的差別。傳統(tǒng)的教學模式，教室不可能為每一位學生定制個性化的教育評價，但VR/AR/MR 所提供的人機交互技術(shù)卻可以用于個體化評價及個性化教育。英語教師利用VR 讓每個學生在沉浸式語言測評環(huán)境中，通過與虛擬角色對話而得到英語聽說能力水平的評價等級，許多學生因為是在單獨的虛擬環(huán)境里考試，都敢開口對話，口語診斷與糾錯效果也非常明顯。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的介入，腦機接口、各種智能感知設備和技術(shù)應用，認知心理學的理論與技術(shù)實現(xiàn)了融合，學生的身體行為、性格、精神將被更全面地感知，更全面地記錄。教師不僅可以收集到具體學習過程中的環(huán)境、資源信息，還可以收集到詳細的學習成果信息，為深入剖析影響學生學習效果的因素提供了依據(jù)。因此，教師要主動尋找信息技術(shù)和數(shù)字學習資源的支持，實驗形成性評價和過程性評價，通過挖掘和分析數(shù)據(jù)，對學生進行科學的診斷和動態(tài)輔助。

四、拓寬渠道，消解時空界限

與傳統(tǒng)課堂教學相比，引入VR/AR/MR 技術(shù)改變最多的還是拓寬了學習的渠道，使得學生的學習不再受到時間、空間的限制，有較大優(yōu)勢可以拓寬學生的視野。筆者通過對十幾個班級學生開展的問卷訪談，發(fā)現(xiàn)在應用了VR/AR/MR 技術(shù)后，學生的視野（興趣面）從原來的75.4%上升到96.1%，學生主動認識世界和主動發(fā)展興趣明顯得到提高。

以往，我們的書本是線性的，現(xiàn)在VR/AR/MR 呈現(xiàn)的是立體的。用VR/AR/MR 技術(shù)開設圖畫劇場，借助計算機系統(tǒng)虛擬歷史人物、名人、教師、學生等各種人物形象，可以實現(xiàn)立體的實景體驗館，學生不用離開教室，不用去真實的場館，便能在虛擬的環(huán)境里參觀美術(shù)館、造訪太空。比如：虛擬博物館里“兵馬俑”的現(xiàn)實畫面，讓學生遠觀俑坑之大，又讓學生走近每一個兵馬俑，甚至站在兵馬俑之間，仔細觀察他們的神情和體態(tài)；虛擬科技館里的“太陽系”，讓學生變身“宇航員”，駕駛太空飛船穿梭于行星之中，感受太空飛行的速度，在無垠的太空中近距離觀測土星、木星等等各個行星的表面特征。學生隨著頭部轉(zhuǎn)動，眼前的畫面也隨之轉(zhuǎn)變方向，學生可以看到場館里的全景空間，耳邊還伴有語音講解，經(jīng)歷一場穿越立體時空的旅行。

這些與學生的生活實際和經(jīng)歷，與課堂教學的時間和空間有著相當大距離的圖畫劇場，通過VR/AR/MR技術(shù)把抽象的文字變?yōu)榱Ⅲw多維，將靜態(tài)的圖片轉(zhuǎn)化為動態(tài)的全景視頻，在聲畫同步的學習環(huán)境里獲得浸潤式體驗是在傳統(tǒng)的課堂上無法實現(xiàn)的。我們可以利用技術(shù)的力量突破時空限制，開展在線實時交流，個性化選擇課程學習等等，實施跨學科整合課程，開設基于體驗類應用為支持的虛擬網(wǎng)絡學習空間，讓學生自主地在虛擬世界里探索世界的奧秘。

VR/AR/MR 技術(shù)對于構(gòu)建教育新生態(tài)有著十分突出的優(yōu)勢，但也有需要進一步改進的地方。限于技術(shù)原因，這些設備都還比較重，不適合久戴，甚至有的人佩戴后會產(chǎn)生不適感，出現(xiàn)頭暈、惡心等不良反應，價格也較高，對兒童近視率的影響有待論證，這些都阻礙了其在教育領域里的普及應用。